공유 결정과 분자 결정

핵심 정리

고체의 결정 종류를 판별할 때는 물질을 이루는 입자의 종류와 입자 사이에서 작용하는 힘을 함께 살핀다. 공유 결정은 원자들이 공유 결합으로 이어져 결정 전체에 연속적인 구조를 이루는 고체다. 다이아몬드는 탄소 원자들이 공유 결합으로 연결된 공유 결정이다. 흑연도 공유 결합으로 이루어진 층상 구조의 공유 결정이다. 반면 분자 결정은 분자들이 결정의 구성 단위이고, 분자 사이의 힘이 분자들을 결정 안에 붙들어 놓는 고체다. 얼음은 분자 결정이며 공유 결합 결정이 아니다.

고체의 화학식만 보고 결정 종류를 정하지 말고, 고체 안에 분자들이 그대로 존재하는지 또는 원자들이 공유 결합으로 연결되어 있는지를 따져야 한다. 고체 이산화 탄소는 CO₂ 분자 사이의 분산력으로 결합한 분자 결정이다. 요오드 고체도 분자 사이의 힘으로 결합한 분자 결정이며, 그 힘은 분산력이다. 분자 결정은 분자 사이 인력이 약하므로 이온 결정에 비해 녹는점이 낮다.

얼음에서 물 분자 내부의 O–H 결합과 물 분자 사이의 인력은 서로 다른 수준의 결합이다. 분자 내부에 공유 결합이 있다는 사실만으로 얼음 전체를 공유 결정이라고 분류하지 않는다. 고체의 종류는 분자 내부 결합만이 아니라 결정 전체를 이루는 입자와 그 입자들을 붙드는 힘을 기준으로 정한다. 결정에는 이온 결정과 공유 결정처럼 결합 방식과 구조가 서로 다른 종류가 있다.

자세히

결정은 입자들이 일정한 배열을 이루는 고체다. 고체의 성질을 이해하려면 먼저 결정 속에서 무엇이 반복되어 배열되는지 확인해야 한다. 원자들이 서로 공유 결합하여 연결된 구조가 반복되면 공유 결정으로 분류한다. 이때 결정은 독립된 분자들이 모여 만들어진 것이 아니라, 원자들이 공유 결합으로 이어진 구조다. 다이아몬드의 경우 탄소 원자들이 공유 결합으로 연결되어 결정 전체를 이룬다. 따라서 다이아몬드를 단지 탄소 원소로 이루어진 물질이라는 이유만으로 판정하는 것이 아니라, 탄소 원자들이 어떤 결합으로 연결되어 있는지를 확인해야 한다.

분자 결정은 판단의 출발점이 다르다. 먼저 고체 안에 독립된 분자들이 존재한다고 보고, 그다음 결정 속 분자들을 서로 붙드는 힘을 확인한다. 분자 내부에서는 원자들이 결합해 하나의 분자를 이루고, 결정에서는 분자와 분자 사이의 인력이 배열을 유지한다. 분자 내부의 결합과 분자 사이의 인력을 같은 것으로 취급하면 분자 결정과 공유 결정을 혼동하게 된다. 물질의 분자 하나 안에 공유 결합이 있다고 해서 그 고체 전체가 공유 결정인 것은 아니다. 얼음은 물 분자들이 모여 형성된 분자 결정이며 공유 결합 결정이 아니다.

다음 표처럼 입자와 입자 사이의 결합을 나누어 보면 구분이 명확해진다.

표의 ‘구성 입자’와 ‘입자를 붙드는 힘’은 서로 연결된 판별 기준이다. 공유 결정에서는 원자들이 공유 결합으로 이어져 구조를 만들고, 분자 결정에서는 분자들이 분자 사이 인력으로 모여 구조를 만든다. 물질의 이름이나 화학식만을 외워 분류하는 것보다, 이 두 기준을 적용하는 편이 낯선 보기에서도 안정적이다. 특히 분자 안의 결합을 결정 전체의 결합으로 확대해 해석하지 않는 것이 중요하다.

분자 사이의 인력이 약하면 분자들을 서로 떨어뜨리는 데 필요한 에너지가 상대적으로 작다. 그러므로 분자 결정은 분자 사이 인력이 약해 이온 결정에 비해 녹는점이 낮다. 이 비교는 분자 결정과 이온 결정 사이의 일반적인 경향을 설명한다. 개별 물질의 녹는점을 수치로 계산하는 내용이나, 모든 고체의 녹는점을 한 가지 순서로 배열하는 내용으로 확대하지 않는다. 분자 결정이라고 판단한 뒤에는 입자 사이 힘의 종류와 세기를 살펴야 하며, 분자라는 구성 입자만으로 모든 성질을 단정하지 않는다.

요오드와 이산화 탄소는 분자 결정의 대표적인 판별 사례다. 요오드 고체는 요오드 분자들이 분자 사이의 힘으로 결합한 분자 결정이고, 그 분자 사이 힘은 분산력이다. 고체 이산화 탄소도 CO₂ 분자 사이의 분산력으로 결합한 분자 결정이다. 여기서 분산력은 분자 사이의 힘이므로, CO₂ 분자 내부의 결합과 혼동하지 않는다. 고체 상태라는 사실은 분자들이 일정한 배열로 모여 있음을 뜻할 뿐, 분자 내부의 원자들이 고체 전체를 공유 결합으로 연결했다는 뜻은 아니다.

얼음도 같은 방식으로 분석한다. 물 분자를 이루는 원자 사이에는 공유 결합이 있지만, 얼음 결정의 구성 입자는 물 분자다. 결정 안에서 분자들을 붙드는 힘과 분자 안에서 원자들을 이어 주는 힘을 각각 따로 표시하면 분류 오류를 막을 수 있다. 따라서 ‘얼음에는 공유 결합이 있다’와 ‘얼음은 공유 결정이다’를 같은 뜻으로 읽으면 안 된다. 얼음은 분자 결정이며 공유 결합 결정이 아니다.